【技术干货】详解国外电动飞机的发展路线及CFRP在该领域的潜在应用
摘 要
在不久的未来传统支线飞机中的60％至70％将会被电动飞机取代。
本期文章首先按照电动飞机驱动系统不同介绍不同类型电动飞机的特点，然后叙述了目前国外电动飞机最新研发情况，随后分析了碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）在该领域的潜在应用。
近年来依靠电力作为飞机清洁推进能源的计划取得了长足的进步，而电动飞机在运行过程中不会产生任何排放物，这使其在环保要求越来越严格的时代具有一定竞争力。显然，当今的电动飞机系统并非无排放，但可以预期，得益于全球经济各个领域向可再生能源发展的强劲趋势未来其排放量将大大减少。
按照不同的技术水平和动力系统组成，用于未来飞机的电力推进架构主要可以分为六个主要类别：全电动系统All-electric systems、混合动力系统Hybrid-electric systems（又可以分为平行混动Parallel-hybrid、系列混动Series-hyrid和系列并联平行混动Series/Parallel partial hybrid）和涡轮发电系统Turbo-electric systems （又包括全涡轮发电系统Full turbo-electric和部分涡轮发电系统Partial turbo-electric），六种动力系统结构差异如图1所示。
图1 目前正在研发或即将研发的电动飞机，均是基于该6种动力系统实现驱动飞行
全电动系统：依靠电池作为飞机上唯一的推进动力源。
混合动力系统：依靠燃气涡轮发动机来推进发电并为电池充电，同样，电池在飞行的多个阶段提供推进所需的能量，主要分为以下三种：
·系列混合动力：使用此技术，仅将电动机机械地连接到风扇。燃气轮机的功能是驱动发电机，该发电机又驱动电动机和/或给电池充电。混合动力系统与使用多个小型电动机和风扇的分布式推进概念兼容。
·系列/并联部分混合动力：该系统具有一个或多个风扇，这些风扇可以直接由燃气轮机驱动，而其他风扇可以仅由电动机驱动，这些电动机可以由涡轮驱动的发电机或电池供电。
涡轮发电系统：在任何飞行阶段均不依赖电池作为推进动力源，而是使用燃气轮机，主要分为以下两种：
·部分涡轮发电：该系统是完全涡轮发电系统的变体，该系统使用电力推进来提供部分推进力，其余部分由燃气轮机驱动的涡轮风扇产生。因此，与完全涡轮电配置相比，用于部分涡轮电配置的电子部件可以以比现有技术更小的进步来开发。
许多飞机制造商和初创公司目前都在为城市空中交通寻找解决方案，而在此背景下，电动空中出租车正在成为现实。作为当前电动飞行进展的一个例子，两个德国初创公司开发了两种车辆，可以将乘客从一个地方运送到城市内部和城市之间，而不会产生任何排放。电动飞机正在逐渐向市场渗透。
图2 电动飞机正在逐步向市场渗透
Volocopter于2016年进行了首次有人驾驶飞行，并在其2X车辆上获得了德国和国际安全证书，该车辆可容纳多达两个人，并以70 km/h的速度飞行27 km。
总部位于慕尼黑的新兴公司Lilium正在研发全电动VTOL（垂直起降）飞机，该飞机最多可容纳两个人，在一小时内可飞行300公里。无人驾驶原型机已于2017年首飞，较大的5人座飞机版本于2019年5月首次飞行。有人驾驶的原型机稍后将用于认证飞行。根据Lilium的说法，到2025年，旅客将能够预订自己的VTOL。
1.2、混合动力飞机（Hybrid-electric aircraft）
在不久的将来，混合动力飞机被认为是常规短程和中程飞机非常有效的替代品。航空航天和电气设备领域的许多大型公司如西门子、劳斯莱斯、波音等公司均投资了这项技术。
2017年11月，空中客车、罗尔斯·罗伊斯公司和西门子公司结成伙伴关系，目标是开发和制造计划于2020年飞行的混合动力电动示威飞机E-FanX（图3）。该飞机使用串行混合动力技术为飞机提供动力，采用2兆瓦电动机，安装在BAe 146飞行试验台上，替代了四台燃气涡轮发动机之一。较长期的目标是制造一架搭载E-Fan X技术的商用飞机，该飞机可容纳50-100名乘客，并乘坐区域和短程航线，预计在2035年左右投入服务。
图3 欧洲空客设计的E-FanX型电动飞机
2019年5月，SAS和空中客车公司签署了一项谅解备忘录，以研究将混合动力电动飞机引入商业服务的运营和基础设施中。SAS的目标是到2030年减少25％的排放量。
美国波音公司和一家本土航空公司已经投资了位于华盛顿州的一家初创公司Zunum Aero，该公司旨在开发世界上第一架商用混合动力电动客机（图4）。Zunum计划在2019年之前为其初始混合动力飞机驾驶一架演示飞机，该飞机可容纳15名乘客并飞行600海里。该飞机预计将于2023年投入使用。但是，该公司目前处于财务困境。Zunum的进一步计划包括在2027年推出一种短程混合动力飞机，该飞机将可容纳50名乘客并飞行1000海里。另外，还有一个发展计划，将生产一架可容纳1500海里的100人座飞机。该飞机将能够减少80％的当地二氧化碳排放，并有望在2030年代初投入使用。
图4 美国Zunum公司设计的混合动力电动客机
美国宇航局NASA的X飞机项目设计之一STARC-ABL，是一台涡轮电动飞机。STARC-ABL是一架带有后边界层推进器的单通道涡轮电动飞机。这种设计极大地依赖于电力，不仅用于推进，而且还用于运行机载电气系统，例如飞行控制、航空电子设备和除冰系统。STARC-ABL最多可容纳150名乘客，并计划在2035年至2040年之间投入使用，并减少10％的排放。
图4 美国宇航局NASA X-plane：STARC-ABL
目前国外正在研发的几款混合动力飞机的主要系统参数如表1所示，飞机乘客数量集中在50-150座，二氧化碳排放量有望大幅降低，但最早投入商业化也要等到2027年。
表1 国外混合动力电动飞机主要参数
1.3、电池动力飞机（Battery-powered aircraft ）
总体而言，由电池驱动的飞机可实现最大程度的二氧化碳减排和环境效益。它们在运行过程中不会产生二氧化碳和污染物排放，不会影响当地的空气质量，并且其产生的噪音远低于由内燃机驱动的飞机。虽然目前在发电过程中会产生二氧化碳，约0.6千克的二氧化碳/千瓦时，但随着可再生能源发展的进步以及各国根据《巴黎协定》所作的承诺，电力的二氧化碳排放量将在未来几十年内大大降低。
一些公司目前正在进行电池动力飞机的设计和开发。赖特电气公司（Wright Electric）是一家位于洛杉矶的初创公司，旨在通过电池驱动的飞机提供零排放短途飞行。该公司与低成本航空公司easyJet 建立了伙伴关系。Wright Electric的设计基于分布式推进装置（图5），机翼中集成了许多电风扇，并且基于可在机场周转期间轻松更换的电池。Wright Electric的目标飞机模型可以容纳150名乘客，并且能够飞行到290海里。他们宣布了到2035年进入市场的计划。
图5 Wright Electric电动飞机提出的分布式推进概念
鲍豪斯·汉诺威公司（Bauhaus Luftfahrt）在2012年设计了一款由电池供电的概念飞机Ce-Liner（图6），与传统的机身设计相比，它具有C型机翼配置，大大提高了空气动力学效率，最大程度地降低了能耗，从而最大程度地降低了电池的重量。Ce-Liner概念研究对电池能量密度的进展进行了假设，在这些假设下，到2035年，最大航程为900海里的Ce-liner可以投入使用。
图6 Bauhaus Luftfahrt设计的电池供电概念飞机Ce-Liner
1.4、电动混合机翼机身机身（Electric blended wing body）
电动混合机翼机身甚至还计划将电动推进的优势与混合机翼机身的机身设计相结合。在过去的十年中，美国宇航局NASA一直在研究带有分布式涡轮电推进系统的BWB（Blended Wing Body）概念，并预计可节省70％的燃料。
图7 美国宇航局NASA提出的BWB概念飞机
小型BWB通常涵盖100到150个座位类别，与超大型飞机相比，它更适合于混合动力以及潜在的电池电力推进的各种概念。此外，该座椅类别的市场潜力很大，可以预期开发成本将在大量要生产的装置之间分担。电动BWB可以在机身和推进设计的综合进步的基础上发展，预计在未来几十年内将并行发生。
图8 空客A350中CFRP占比高达53%
碳纤维之所以能够在航空领域获得广泛应用，不单单取决于其比钢强、比铝轻性能特点，而且可以加工成几乎任何形状并有效减少零件数量，再加上可有效降低燃料成本、改善空气动力学特性，使其成为飞机结构首选材料。
航空用碳纤维材料的关键特征是高强度、大伸长。经过五十年发展，航空用碳纤维材料先后发展了三代产品：高强度标准模量级、高强中模级和超高强中模级，有关航空用第三代超高强中模碳纤维的关键技术将在下期文章中进行详细讨论。
电动飞机作为未来航空发展的焦点，也势必将为CFRP广泛应用提供发展机遇。而实际上目前国外在电动飞机设计时，已经将成熟的CFRP飞机设计经验运用到电动飞机中。例如，目前空客公司正在研发的E-FAN2.0电动飞机，作为一款翼展为31英尺的双座飞机，采用全碳纤维复合材料结构，因此机身净重仅为1100磅。
根据国外一家咨询公司研究，在不久的未来传统支线飞机中的60％至70％将会被电动飞机取代。如果按照电动飞机中复合材料用量30-50%，可想而知未来电动飞机市场用CFRP将会巨大。
电动飞机投放市场的时间仍然存在很大的不确定性，虽然机身用CFRP技术相对比较成熟，但是影响全电池以及混合动力电动飞机推广的最关键方面在于电池技术。
一方面，初创公司预测到2023年左右15至20座电动飞机投入使用，2030年代初期将达到100座飞机；但另一方面，更为保守的看法则认为15-20座电动飞机将投入使用大约在2030年，至于50-100名乘客的地区混合动力飞机，服务日期应该在2050年左右。这种观点主要受到电池技术开发所需的预期时间更长的影响。
最近几年，公共资助机构更加重视电动航空，将其作为未来可持续运输的一部分，这也势必有助于加速电动飞机推进器的发展和成熟。
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参考文献：
[2] Volocopter – Product, 2018.
[3] Lilium - Technology, 2018.
[4] Lilium forges ahead with electric aircraft development. 2019,10.
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[6] Future Partnership launches E-Fan X hybrid-electric flight demonstrator, 2017.
[7] Airbus, Rolls-Royce, and Siemens to Develop Flying Demonstrator, 2017.
[8] Zunum Aero - new home page, 2018.
[9] Aviation Renaissance: NASA Advances Concepts for Next-gen Aircraft, 2017.
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[11] Hybrid Electric Propulsion – Airplane Concepts, 2018.
[12] Aerospace Technology Institute (ATI). The Future of Flight, 2018.